毕业设计（论文）-基于单片机的多功能数字钟设计.doc

毕业设计论文作者 学号 系部 专业 题目 基于单片机的多功能数字钟设计 指导教师 评阅教师 完成时间： 毕业设计(论文)中文摘要基于单片机的多功能数字钟摘要：单片计算机即单片微型计算机。（single-chip microcomputer ）,是集cpu ,ram ,rom ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。他体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产品和工业自动化上。本文设计了一种以单片机at89c52为核心及几种新型芯片组成的多功能数字钟。由单片机构成主控部分，进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号，使用最简单的电路、最便宜的电路芯片实现了完善的功能。这次毕业设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。关键词：数字钟 单片机 报警 电力毕业设计(论文)外文摘要based on a single chip multifunctional digital clockabstract: that is, single-chip computer-chip micro-computer. (single-chip microcomputer), is a set of cpu, ram, rom, from time to time, the count in one interface and a variety of microcontrollers. his small size, low cost, feature strong, smart widely used in industrial automation products and on. this article has designed a single chip at the core at89c52 and several new types of chips composed of multi-function digital clock. constitute a single chip by the main part of the major information processing, to receive operating instructions to form a variety of external control signals, the use of the simplest circuit, the cheapest a perfect circuit chip. the graduation project through its study and application in order to reach the study, design, development software and hardware.key words: single-chip digital alarm clock power目 录1 绪论51.1背景资料51.1.1设计多功能数字钟的目的51.1.2电子线路cad与prote99 se软件的简介51.1.3单片机简介71.2本设计的主要工作72 系统功能和设计说明82.1总体方案设计82.1.1本课题主要技术要求82.1.2总体方案比较与论证82.1.3总体设计原理方框图92.2 硬件模块电路设计92.2.1电压有效值测量设计92.2.2时钟电路的设计102.2.3温度检测电路设计112.2.4频率测量设计112.2.5键盘显示设计122.2.6报警电路142.2.7单片机最小系统142.3 软件设计172.4测试方法182.5总结18结论20致谢21参考文献211 绪论1.1背景资料1.1.1设计多功能数字钟的目的目前市售的电子产品很多,一般只能显示时间信息,功能单一. 但在一些特殊行业，如电力部门，为了工作的便利，要求数字钟不仅能显示时间信息，最好还能直接显示供电情况，电力运行情况。这样，市场上销售的数字钟就显得功能单一，不能满足需求。这里我们所要设计的是专门用于电力部门的多功能数字钟。本文所设计的多功能数字钟是利用单片机技术，采用了几种新型的芯片而共同构成的。它具有基本的电子时钟，闹钟功能，并且能够显示环境温度，电网电压，电网频率及实现过压欠压报警。本系统充分挖掘了单片机的资源和运算控制功能，具有功能多，显示全，成本低的特点。1.1.2电子线路cad与prote99 se软件的简介本设计的电子线路图和pcb线路版图都采用计算机辅助制图，现介绍使用的做图软件及方法。一、电子线路cad简介：电子电路cad技术是电子信息技术发展的杰出成果,它的发展与应用引发了一场工业设计和制造领域的革命。给企业带来了巨大经济效益。当今, 电路cad技术及其应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。电子电路cad 技术是指以计算机硬件和系统软件为基本工作平台, 继承和借鉴前人在电路和系统、图论、拓扑逻辑优化和人工智能理论等多学科的最新科技的成果而研制成的电子电路cad通用支撑软件和应用软件包。其目的在于帮助电子设计工程师开发新的电子系统与电路、ic、pcb（印刷电路板）、fpga（现场可编程门阵列）、cpld（复杂可编程逻辑器件）等产品。实现在计算机上调用元器件库、连线画图、编制激励信号文件、确定跟踪点、调用参数库以及模拟程序等手段去设计电路。电子线路cad的基本含义是使用计算机来完成电子线路的设计过程，包括电原理图编辑、电路功能仿真、工作环境模拟、印制板设计（包括自动布局自动布线）与检测（包括布线、布局规则的检测和信号完整性分析）等。电子线路cad软件还能迅速形成各种各样的报表文件，如元件清单报表，为元器件的采购及工程预决算等提供了方便。二、prote99 se软件的简介:90年代中期，windows95开始 出现，protel也紧跟潮流，推出了基于windows95的3.x版本。3.x版本的protel加入了新颖的主从式结构，但在自动布线方面却没有什么出众的表现。另外由于3.x版本的protel是16位和32位的混合型软件，所以不太稳定。1998年，protel公司推出了给人全新感觉的protel 98。protel 98以其出众的自动布线功能获得了业内人士的一致好评。199年，protel公司又推出了新一代的电子线路设计系统-protel 99。在protel 99中加入了许多全新的特色。protel98/99/99se具有windows应用程序的一切特性，在protel98/99/99se中引入了操作“对象”属性的概念，使所有“对象”（如连线、元件、i/o端口、网络标号、焊盘、过孔等）具有相同或相似的操作方式，实现了电子线路cad软件所期望的“简单、方便、易学、实用、高效”的操作要求。protel99主要由以下几个部分组成：1原理图设计系统：原理图设计系统是用于原理图设计的advanced schematic系统。这部分用于设计原理图的原理图编辑器sch 以及用于修改、生成零件的零件库编辑器schlib。2印刷电路板设计系统印刷电路板设计系统是用于电路板设计的advanced pcb。这部分包括用于设计电路板编辑器pcb以及用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器pcb lib。3.信号模拟仿真系统信号模拟仿真系统是在原理图上进行信号模拟仿真的 spice3f5系统。4编程逻辑设计系统可编程逻辑设计系统是基于cupl的集成于原理图设计系统中的pld设计系统。5protel99内置编辑器这部分包括育浓郁显示、编辑文本编辑器text和用于显示、编辑电子表格的电子表格编辑器spread。design explorer(项目管理器)是protel99新增的一大功能，就是利用design explorer对整个系统进行管理的。它具有许多优点，这些优点使protel99较protel98工作起来更快捷、更方便。1.1.3单片机简介一、 单片机的结构和特点 一个典型的数字计算机系统应包括运算器、控制器、数据与程序存储器输入/输出接口四大部分。如果将它们集成在一小块芯片上，就构成了微型单片计算机，简称单片机。单片机除了具有一般微型计算机的功能外，为了增强实时控制能力，绝大部分单片机的芯片上还集成有定时器/计数器，某些增强型单片机还带有a/d转换器、d/a转换器、语音控制、wda、pwm等功能部件。单片机在结构上的设计主要是面向控制的需要，因此，它在硬件结构指令系统和能力等方面均有独特之处，其显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能，为此，又称为微控制器mcu(micro controller unit)。所以，单片机不但与一般的微处理机一样，是一个有效的数据处理机，而且还是一个功能很强的过程控制机。单片机自诞生以来，由于其固有的优点-低成本小体积高可靠性高附加值通过更改软件就可改变控制对象等，已越来越成为电子工程师设计产品时的首选器件之一。二、单片机的应用在智能仪器仪表中的应用：在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。在机电一体化中的应用：机电一体化产品是指集机械、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的电子产品。在实时过程控制中的应用：用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量。 在人类生活中的应用：目前国外各种家用电器已普通采用单片机代替传统的控制电路。 在其它方面的应用：单片机除以上各方面的应用，它还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、汽车及通信、计算机外部设备、模糊控制等各领域中。1.2本设计的主要工作本设计的主要工作是采用单片机技术，设计一个适用于电力部门的多功能数字钟，数字钟应具有基本的电子时钟功能、闹钟功能；能显示环境温度；显示电网电压、电网频率；能实现过压、欠压报警。本设计工作包括单片机外围接口电路的硬件设计和实现系统控制功能的软件设计。我在本设计中承担硬件部分的电网电压的开发工作。2 系统功能和设计说明2.1总体方案设计2.1.1本课题主要技术要求 利用单片机控制; 具有基本的电子时钟功能闹钟功能,电子时钟要求显示年、月、时、分、秒、星期;具有掉电功能; 能显示环境温度,要求环境温度的测量误差0.5;显示电网电压、电网频率,电网电压的测量误差0.5v;电网频率的测量误差0.5hz; 当电网电压过压或欠压10v时，声光报警。根据以上要求我设计此系统必须具有以下单元功能模块：实时时钟电路环境温度检测电路电网电压、频率测量电路报警电路键盘显示电路2.1.2总体方案比较与论证方案一: 采用cpld作为控制中心，对整个系统的运作进行统一管理，但这种方案要求平时有很多的知识积累和较强的专业水平，且器件较贵，主控制器外围电路进行电压频率测量,时钟控制温度测量键盘和控制报警复杂,且灵活性较低,不利于各种功能的扩展,在测电压时将通过测得的数值转化为电压有效值时有一定困难。方案二: 多功能数字钟系统采用at89c52作为中央处理芯片实现系统的控制,用于数据处理、初值设定、显示控制等。键盘电路采用74ls165扩展接口,时钟芯片采用12c887,温度传感器采用ds18b20, 市电信号电压可通过lm331组成的高精度u/f变换电路测得，频率可采用测周期法间接测得。单片机p0口用于时钟芯片时间信息读取;p1口用于液晶显示器显示数据的传送;p2口用作控制信号和握手联络信号,其中p2.3输出闹钟信号,p2.4输出过压欠压报警信号,分别驱动外部声光报警电路；p3口主要是第二功能的应用。因此，单片机系统资源已得到充分利用，此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，能很好地满足本设计的基本要求和扩展要求。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁完全达到设计要求，故采用第二种方案。2.1.3总体设计原理方框图根据设计方案二，画出本设计的总体设计方框图如图1图1 总体原理方框图2.2 硬件模块电路设计2.2.1电压有效值测量设计一、电压有效值测量方案选择方案一：采用分段逼近式有效值检波电路。该方法示值虽然是被测电压的有效值，但由于放大器动态范围的限制，对于被测信号会产生一定的波形误差，并且硬件电路搭接复杂，且稳定性能不好。方案二：利用电压互感器得到交流信号，经过半波整流，电容滤波得到直流信号。将转换成的直流信号接入iclm331u/f转换器，实现模拟电压信号转换为数字信号，即将电压信号转换为频率可变的脉冲信号，再利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到电压有效值。利用集成电路芯片测量精度高，误差小、稳定性好，硬件电路实现简单，可减小硬件体积。因此选择第二种方案。二、实现电压测量电路实现电压测量电路如图2图2 电压测量电路三、原理说明利用电压互感器得到交流信号，经过半波整流，电容滤波得到直流信号，采用m331v/f转换器, 将电压信号转换为频率可变的脉冲信号。脉冲信号的频率与交流电压有效值和直流电压值呈线性正比关系，交流电压越高,转换器的频率值越高。电路中rs的作用是调节增益偏差和由rl、rt、ct引起的偏差，以及校正输出频率。7脚上增加的电阻、电容的作用是提高精度。当元件取图中的参数时，可将0-10v输入电压信号变成10hz-20kz的输出频率信号。这种变换方法，接口简单，占用单片机硬件资源少；有良好的精度，线性以及抗干扰性能。适当选择电压互感器变比，滤波电容值，使交流电源电压为220时，变换器输入电压等于10v。根据变换器输出信号频率计算公式：fout=(vin/2.09v)(rs/rl)(rt/ct)，此时输出脉冲信号频率为20khz。2.2.2时钟电路的设计时钟电路采用ds12c887时钟芯片实现。该芯片是将晶体振荡电路，充电电路和可充锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块。该芯片可以进行时分秒的计数，具有100年日历，可编程接口，还具有报警功能和掉电保存功能，并可对其方便的进行程序控制。电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据10年内不会丢失。使用此芯片首先要对其进行初始化，为芯片内部寄存器设立标志位并赋初值，同时加载时钟计数初值。初始化完成后，即可以从该芯片中读取时间。该芯片的口地址为off00hoff09h，分别是ds12c887的年月日星期以及时间等的时标寄存器。通过相应口地址将实时时间值读出后，存入相应显示缓冲单元，供显示子程序调用，即实现了时钟显示功能。利用键盘输入闹钟时间并写入闹钟寄存器，定时时间到产生中断信号，引起单片机中断，输出闹铃信号。由于本芯片有掉电保护功能，停电时，仍能正常走时。来电后，正常显示，不需重新设定初值，使用方便。本系统中单片机p0口用于时钟芯片时间的读取。时钟芯片ds12c887管脚接线图如图3图3 时钟芯片ds12c887管脚接线图2.2.3温度检测电路设计温度检测电路是采用ds18b20单总线温度传感器实现的。该传感器与单片机通信只要一根i/o线，因而使用方便。本系统中利用p2.3口作为i/o口线直接读取温度值。这种方式比其他温度传感器省却了信号调理、标度转换、a/d转换等前向通道电路，使得电路简化，编程容易；另外它采用低电压供电,测温范围为-55-125度，在-10-+85范围误差为0.5，完全能满足题目测量误差为0.5的要求。2.2.4频率测量设计本系统测量市电信号的频率，即 50hz左右的频率信号，属于低频段信号频率测量，f=(d/ds)fs,其中d是计数器，ds是定时计数器计数初值，fs是基准频率。可见只要知道了d值就可以通过计算求出v/f转换器的输出频率，进一步通过插值计算的方法可得电源电压值，实现了a/d转换。而另一路方波信号因为频率只有50hz左右，不能采用脉冲计数方式可采用测周期方式，然后计算频率。基于此实际，我们采用测量输入信号周期然后取倒数的方法测量信号的频率，即测周法，这样能提高测量的精度，测量信号周期的原理框图图4 所示。其中图4中的整形电路由lm311组成的过零电压比较器实现。它将从电容两端取得正弦信号变为频率为50hz的方波信号，经过电阻、稳压二极管限幅整形后，送入后级电路。波形示意图如图5所示。图 4 信号周期测量原理图图 5 频率测量计数波形示意图频率测量电路图如图6图 6 频率测量电路图2.2.5键盘显示设计根据设计要求多功能数字钟按键主要有设置、增、减、闹钟开关键，来实现时间调整、设置等功能。为了节省口线，采用并行输入、串行输出移位寄存器74ls165扩展接口，一片74ls165最多可实现8个按键输入。设计如图7图7 键盘电路图本设计键盘数据读入由单片机p3.0 、p3.1、 p3.2控制，其中p3.1（txd）作为时钟信号与74ls165的时钟输入端clock相连；p3.0（rxd）作为数据输入端与74ls165的移位与置入控制端相连，p3.2（into）做为数据封锁信号与74ls165串行输出端qh相连；这样经过74ls16扩展接口只用了3条数据线便可实现8个按键输入控制。本设计显示电路采用ocmj48中文液晶显示模块，该模块内含gb2312 16*16点阵国际一级简体汉字和asc码，可实现文本显示。ocmj48中文模块不需初始化，设置初始化的工作都在上电时自动完成，实现了“即插即用”。其用户硬件接口口采用req/busy握手协议，简单可靠。busy高电平有效，表示ocmj忙，不能接受命令；busy=0时，表示ocmj空闲。同时req=1时通知ocmj处理当前数据线上的数据。我们选p2口的p2.6和p2.7作为其联络口。显示电路如图8所示。图8 显示电路电路图2.2.6报警电路单片机p2口的p2.4输出过压或欠压报警信号，用一根1pin数据线一端插入单片机部分的p2.4，另一端插入小喇叭部分的输入端jp16。当发生过压或欠压，有信号进入蜂鸣器的输入端，使之发出声音。电路如图9所示图9 报警电路2.2.7单片机最小系统本设计采用at89c52单片机作为系统的控制核心，因为at89c52单片机是低功耗、高性能的片内含有8kb闪速存储器的8位cmos微控制器，存储器可循环写入/擦除1000次，具有256字节内部ram，32条可编程i/o口线,3个可编程定时器/计数器，具有8个中断源和2个优先级的中断结构，可编程全双工串行通道等功能，因此，选用89c52单片机来满足本设计中程序容量大，控制较为复杂的特点。at89c52引脚排列如图10图10 at89c52引脚排列引脚功能说明：i/o口线p0口8位、漏极开路的双向i/o口。当使用片外储存器及外扩i/o口时，p0口作为低字节地址/数据复用线。在编程时，p0口可用于接受指令代码字节；在程序校验时，p0口可输出指令字节（这时需要加外部上拉电阻）。p0口也可以通用i/o口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。当作为普通输入时，应将输出琐存器置1。p0口可驱动8个ttl负载。p1口8位、准双向i/o口。在编程和校验时，可用做输入低8位地址。用做输入时，应先将输出琐存器置1。p1口可驱动4个ttl负载。p2口8位、准双向i/o口，具有内部上拉电阻。当使用片外存储器或外扩i/o口时，p2口输出高字节和某些控制信号。p2口也可作普通i/o口使用，用做输入时，应先将输出锁存器置1。p2口可驱动4个ttl负载。p3口8位、准双向i/o口，具有内部上拉电阻。p3口作为普通i/o口。用做输入时，应先将输出锁存器置1。在编程/校验时，p3口接受某些控制信号。它可驱动4个ttl负载。p3口还提供各种替代功能，如下表所列：引脚替代功能说明p3.0rxd串行数据接受p3.1txd串行数据发送p3.2int0外部中断0申请p3.3int0外部中断1申请p3.4t0定时器0外部事件计数器输入p3.5t1定时器1外部事件计数器输入p3.6wr外部ram写选通p3.7rd外部ram读选通控制信号线rst复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时，在rst脚施加两个机器周期（即24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。ea/vpp外部程序存储器访问允许信号ea（external access enable）当ea信号接地时，对rom的读操作限定在外部程序存储器，地址为0000h-ffffh；当ea接vcc时，对rom的读操作从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。在编程时，该引脚可接编程电压（at89c51的vpp为5v或12v；at89lv51的vpp为12v）。在编程校验时，该引脚可接vcc。psen片外程序存储器读选通信号psen，低电平有效。在片外程序存储器指向期间，当psen有效时，程序存储器的内容被送至p0口（数据总线）；在访问外部ram时，psen无效。ale/prog低字节地址锁存信号ale。在系统扩展时，ale的下降沿将p0口输出的低8位地址锁存在外接的地址锁存器中，以实现低字节地址和数据的分时传送。此外，ale端连续输出正脉冲，频率为晶振频率的1/6，可用做外部定时使用。但要注意，每次访问外ram时要丢失一个脉冲。在编程期间，该引脚输入编程脉冲（prog）电源线vcc电源电压输入引脚。gnd电源地。外部晶振引线xtal1片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内震荡器时，外接石英晶体和微调电容。xtal2片内震荡器反相放大器的输出端。当使用片内震荡器时，外接石英晶体和微调电容。当使用外部震荡器时，引脚xtal1接受外振荡器信号，xtal2悬空。2.3 软件设计根据设计技术要求，本数字钟时间信息的读取、温度的读取、电压频率测量读取以及过压欠压的比较及报警等都需要单片机内部的程序控制实现。因为我在本设计中主要承担硬件的设计工作，现将多功能数字钟的主程序流程介绍如下：初始化脉冲信号计数计算电压测量方波周期计算交流电频率读取时间信息电压超限否读取温度液晶显示有键否？键值处理报警2.4测试方法测试方法 采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，以提高调试效率。 1、 时钟测试 在带有单片机的电路板上编程调试芯片ds12887，使其在液晶上显示出时分秒，并可以通过键盘控制设定时间和闹铃开关的时间。利用仿真机调试成功后通过编程器将程序写入芯片中调试，调试结果显示，该模块可以显示时分秒，可以正常工作。 2、闹钟测试 通过键盘控制设定闹钟开关和闹钟响的时间，并通过单片机程序驱动音乐电路发声。经过调试，闹钟功能正常，满足题目的基本要求。 3、 温度测试 利用仿真机通过程序读出温度传感器 ds18b20中的温度数据，并且进行了定标，通过键盘操作切换界面，送到液晶显示，并与tm6801a温度表测得的数值相比较，看是否在误差允许范围内。4、频率测试 结合硬件电路通过编写的程序将送入的信号进行处理测试，通过键盘操作切换界面，将结果送到液晶显示。考虑到工频交流电信号的频率非常稳定，为检验我们系统测频的准确性，我们采用频率计输入 40hz60hz的信号进行检验。经过反复调测，该模块能在允许误差范围内正常工作。5、 有效值测试 用函数发生器输出 05v的正弦信号电压作为交流信号，先用数字万用表测量电压有效值，再用设计的电路测量此交流信号，然后求出误差，反复调整改进到在误差允许的范围内。 6、过、欠压报警测试 通过 tdgc-015/0.5型调压变压器在电路输入端加入高于242v或低于198v的市电信号，通过软件设定比较，驱动过压蜂鸣器或欠压蜂鸣器报警。各功能模块均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各功能模块连接在一起，用函数信号发生器模拟交流电压信号，先用仿真机代替89c52单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线和地址线也进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。调试结果显示，整个系统能够正常工作，且能进行更多的功能扩展。2.5总结在着手进行毕业设计之前，通过参观和调研，了解本课题的具体测试要求和特点。开始设计时，通过对电网电压电路的分解来进行分析，对其中电网电压电路有了一定的了解，并通过搜集、消化有关资料制定了电网电压电路的具体设计方案；并在此基础上设计了电网电压电路。通过一段时间的学习，我对这方面的知识也有了一个比较深入的了解。接下来通过protel软件对原理电路图进行仿真和验证，在学习的过程中，我遇到了一些困难，比如说pcb版图的排版不合理，以致布线时出现错误，最后在老师和同学的帮助下，顺利地完成了protel的验证环节。总结此次毕业设计，还有以下几点不足之处：1）protel软件使用不够熟练，在绘制pcb板图时，元器件的封装出了问题，以致在pcb板图导入的时候出现一系列错误；2）最后由于时间仓促，也没能做成实物图，少了一次很好的锻炼机会。 结论在本文中，我通过查阅资料，向老师同学请教，终于跌跌撞撞地完成了多功能数字钟的整个电路，其中可能有不足，有缺陷，但我一个人的力量是微小的，我也希望大家能够把这个课题继续进行下去。由于本次毕业设计限于各方面的原因，只进行了软件部分的仿真，没有进行真正的硬件下载实现，所以还是有点遗憾，下面就我的设计做一个小小的总结：整个电路由电压有效值测量、时钟电路、温度检测电路、频率测量电路、键盘显示电路、报警电路等六大